JP4486603B2

JP4486603B2 - 半導体受光素子

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Publication number: JP4486603B2
Application number: JP2006068195A
Authority: JP
Inventors: 栄太郎石村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2017-04-14
Also published as: JP2006216976A

Description

この発明は半導体受光素子に関し、特にアナログ光伝送に用いる低応答歪の半導体受光素子に関するものである。

図８は従来の半導体受光素子の一つであるＩｎＧａＡｓ系のＰＤ（Photodiode：フォトダイオード）の構造を示す断面図（図８(a))、及びこのＰＤを上面からみた図（図８(b))であり、図において、１はＴｉ／Ａｕ等からなるｐ側の電極、２は窒化シリコン（ＳｉＮ）等からなる表面保護膜で、その厚さはこのＰＤに入射される光の波長λの４分の１の厚さとする。３はアンドープ（以下、ｉ−と称す）ＩｎＰからなる厚さ約２μｍの窓層、４はｉ−ＩｎＧａＡｓからなる厚さ２〜３μｍの光吸収層、５は、窓層３の表面から光吸収層４に達するようにＺｎを拡散させて形成したキャリア濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ｃｍ^-3であるｐ型（以下、ｐ−とも称す）のドーピング領域で、その光吸収層４内における深さは０．１〜０．３μｍとするのが好ましい。１ａはこの表面保護膜２上の、上記ドーピング領域５が形成されている領域以外の領域に設けられたボンディングパッドで、ｐ側電極１と同時に形成されるとともに、このｐ側電極１と接続されている。６は空乏層、７はシリコン（Ｓｉ）やイオウ（Ｓ）等の不純物を有する，キャリア濃度が約５×１０¹⁸ｃｍ^-3であるｎ型（以下、ｎ−とも称す）ＩｎＰ基板、８はＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側の電極、９は入射光で、ここでは例えば波長λ＝１．３μｍのレーザ光等が用いられる。１０は入射光９のうち、光吸収層４において吸収されず残ったものがｎ側電極８により反射された反射光である。

次に動作について説明する。ＰＤの上方からドーピング領域５に例えば波長λ＝１．３μｍの光９を入射させると、入射光９は、表面保護膜２とＩｎＰ窓層３とを透過してＩｎＧａＡｓ光吸収層４で吸収され、電子と正孔を発生する。ＩｎＰ窓層３を入射光が透過するのは、ＩｎＰのバンドギャップ波長（λｇ＝０．９２μｍ）よりも入射光波長（λ＝１．３μｍ）が長いためである。この時、受光部、即ちドーピング領域５の下方に位置する領域近傍のｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層４には、このＺｎ拡散によって形成されたｐ型のドーピング領域５と、ｎ型基板７とによって形成されたｐｎ接合により空乏化されて空乏層６が形成されている。つまり、ドーピング領域５とｎ型基板７との間において、ＩｎＧａＡｓ光吸収層４の空乏層６には電界が印加されている状態となっている。そして、光吸収層４の空乏層６において光吸収により発生した電子と正孔はこの電界に引かれて、それぞれｎ型ＩｎＰ基板７とｐ型のドーピング領域５とへ向かって流れる。この流れを光電流といい、この光電流は、ｐ側電極１及びｎ側電極８より信号電流として取り出される。なお、必要に応じて、ｐ側電極１とｎ側電極８との間には−５Ｖ程度の逆バイアスをかけておくようにしてもよい。

ここで、入射光９の一部、即ち入射光９の数％程度は、光吸収層４で吸収されずに透過してしまう。つまり、光吸収層４の厚さを十分厚く、例えば５μｍ以上にすれば入射光９のほぼ１００％が吸収されるが、光吸収層４を３μｍ以上に厚くすると、光吸収層４はアンドープとはいえ製造プロセスに起因して微量の不純物が混入して僅かにｎ型となっているため、光吸収層４がすべて空乏化されなくなり、発生した電子や正孔がドーピング領域５下の光吸収層４内において滞留してしまう。従って、光吸収層４は３μｍ程度以下の厚さに設定されるが、その結果として、入射光１０の一部が光吸収層４内の空乏層６で吸収されずに透過してしまう。透過した光は、ｎ側電極８において反射されるが、この反射光１０は光吸収層４の空乏化されていない領域にも入射され、この領域内において吸収されてしまう。この空乏化されていない領域においては、空乏化にともなう電界が印加されていないため、反射光１０の光吸収により発生した電子及び正孔はこの領域に滞留してしまう。そして、この滞留した電子及び正孔は、拡散ドリフトにより空乏層６へ到達して光電流として取り出されるが、光吸収されてから空乏層６へ到達するまでに時間がかかるため、この光電流成分は入射される光信号に対して応答が遅く、直接空乏層６から取り出された光電流に対し、このようなドリフトによる遅れを有する光電流が加わることにより、ＰＤの応答に歪が生じる，つまり、信号波形が歪んでしまう。通常、このようなＰＤにおいては応答歪が十分に少ないことが要求されるが、このような反射光の影響によって、応答歪の歪量は−８０ｄＢｃ以下と大きくなり、性能のよい半導体受光素子を得ることができないという問題が生じていた。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、応答歪を低減することができる半導体受光素子を提供することを目的とする。

この発明に係る半導体受光素子は、第１導電型半導体基板と、該基板上の一部の領域上のみに配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、該光吸収層上及び上記半導体基板上に配置された、該光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、該窓層上面の、上記光吸収層上の領域を含むように設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有するドーピング領域と、上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えるようにしたものである。

また、この発明に係る半導体受光素子は、第１導電型半導体基板と、該基板上に配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、該光吸収層上に配置された、バンドギャップエネルギーが上記光吸収層以下であり、該光吸収層と格子整合しない半導体材料からなる臨界膜厚以下の厚さの格子不整合層と、該格子不整合層上に配置された、上記光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、該窓層上面の所定の領域に設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有する窓部と、上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えるようにしたものである。

また、この発明に係る光半導体受光素子は、第１導電型半導体基板と、該基板上に配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、該光吸収層の所定の領域を除く領域に設けられた、不純物を有する光吸収ドーピング領域と、上記光吸収層上に配置された、該光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、該窓層上面の、上記光吸収ドーピング領域以外の領域上に設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有するドーピング領域と、上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、第１導電型半導体基板と、該基板上の一部の領域上のみに配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、該光吸収層上及び上記半導体基板上に配置された、該光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、該窓層上面の、上記光吸収層上の領域を含むように設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有するドーピング領域と、上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えるようにしたから、光吸収層が空乏層内にのみ配置され、空乏層以外の部分における光吸収がなくなり、応答歪を低減させることができる半導体受光素子を提供できる効果がある。

また、この発明によれば、第１導電型半導体基板と、該基板上に配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、該光吸収層上に配置された、バンドギャップエネルギーが上記光吸収層以下であり、該光吸収層と格子整合しない半導体材料からなる臨界膜厚以下の厚さの格子不整合層と、該格子不整合層上に配置された、上記光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、該窓層上面の所定の領域に設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有する窓部と、上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えるようにしたから、光吸収層の空乏層以外の領域において反射光の光吸収により発生した電子と正孔とを格子不整合層に流れ込ませて、該電子と正孔とが空乏層に流れ込む前に再結合させることができ、応答歪を低減させることができる半導体受光素子を提供できる効果がある。

また、この発明によれば、第１導電型半導体基板と、該基板上に配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、該光吸収層の所定の領域を除く領域に設けられた、不純物を有する光吸収ドーピング領域と、上記光吸収層上に配置された、該光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、該窓層上面の、上記光吸収ドーピング領域以外の領域上に設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有するドーピング領域と、上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えるようにしたから、光吸収層の空乏層以外の領域において反射光の光吸収により発生した電子と正孔とを、この光吸収層の空乏層以外の領域に設けられた光吸収ドーピング領域において、該電子と正孔とが空乏層に流れ込む前に再結合させることができ、応答歪を低減させることができる半導体受光素子を提供できる効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、１はＴｉ／Ａｕ等からなるｐ側電極、２は窒化シリコン（ＳｉＮ）等からなる表面保護膜で、その厚さはこのＰＤに入射される光の波長λの４分の１の厚さとする。３はアンドープ（以下、ｉ−と称す）ＩｎＰからなる厚さ約２μｍの窓層、４はｉ−ＩｎＧａＡｓからなる厚さ２〜３μｍの光吸収層、１１は厚さが約０．５μｍで、不純物としてイオウ（Ｓ）やシリコン（Ｓｉ）等を含む、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3であるｎ型（以下、ｎ−とも称す）ＩｎＰバリア層で、このバリア層としては、バンドギャップエネルギーが光吸収層４よりも大きい他の半導体層を用いるようにしてもよい。１２は不純物をドーピングした厚さが約２μｍ以上のＩｎＧａＡｓ層光吸収再結合層で、例えば不純物としてＳが、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3と比較的に高濃度になるようにドープされている。この光吸収再結合層１２は、バンドギャップエネルギーが上記光吸収層４のバンドギャップ以下となるようにその組成が調整されている。５は、窓層３の表面から光吸収層４に達するようにＺｎを拡散させて形成したキャリア濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ｃｍ^-3であるｐ型（以下、ｐ−とも称す）のドーピング領域で、その光吸収層４内における深さは０．１〜０．３μｍとするのが好ましい。６は空乏層、７はＳｉやＳ等の不純物を有する，キャリア濃度が約５×１０¹⁸ｃｍ^-3であるｎ−ＩｎＰ基板、８はＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極、９は入射光で、ここでは例えば波長λ＝１．３μｍのレーザ光等が用いられる。

次に、製造方法について簡単に説明する。まず、ｎ−ＩｎＰ基板７を用意し、該基板７上に、ＭＯＣＶＤ(Metal organic chemical vapor deposition) 法等を用いて、光吸収再結合層１２，バリア層１１，光吸収層４，及び窓層３を順次エピタキシャル成長させる。次に窓層３上の所定の領域にＺｎを光吸収層４に達する深さまで拡散させてドーピング領域５を形成する。この拡散方法としてはマスク等を用いた気相拡散や熱拡散等が用いられ、例えば、熱拡散を行う場合には、ＳｉＮ膜（図示せず）等の拡散源を成膜し、このＳｉＮ膜のドーピング領域５を形成する領域上の領域に開口部を形成し、更に、この開口部上の領域を含む上記ＳｉＮ膜上にＺｎＯ膜（図示せず）等を形成し、上記ＳｉＮ膜をマスクとして所定時間の熱処理を行うことにより形成可能である。なお、Ｚｎの代わりにＣｄやＢｅ等の不純物を拡散に用いることも可能である。

続いて、ＳｉＮ膜やＺｎＯ膜等を除去した後、プラズマＣＶＤ法等により窓層３表面に反射防止膜としても機能する表面保護膜２を形成し、フォトリソグラフィ技術とフッ酸等を用いたエッチングとを組み合わせて、表面保護膜２のｐ側電極１を形成する領域に開口部を設ける。さらに、表面保護膜２上に新たなフォトレジスト膜（図示せず）を設け、これをパターニングして、表面保護膜２の上記開口部上の領域にさらに開口部を形成した後、電子ビーム（ＥＢ）蒸着によりＴｉ／Ａｕ膜を形成した後、この膜の不要部分を上記フォトレジスト膜とともにリフトオフしてｐ側電極１を形成する。この時、図示していないが、表面保護膜２上に、ｐ側電極１に接続されたボンディングパッドを同時に形成するようにする。その後、基板７の下面側を研磨し、ｎ側電極８を形成して、図１に示すような半導体受光素子を得る。

次に動作について説明する。半導体受光素子の上方からドーピング領域５に例えば波長λ＝１．３μｍの光９を入射させると、入射光９は、表面保護膜２とＩｎＰ窓層３とを透過してＩｎＧａＡｓ光吸収層４で吸収され、電子と正孔を発生する。この時、受光部、即ちドーピング領域５の下方に位置する領域近傍のｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層４には、このＺｎ拡散によって形成されたｐ型のドーピング領域５と、ｎ型基板７とによって形成されたｐｎ接合により空乏化されて空乏層６が形成され、ＩｎＧａＡｓ光吸収層４の空乏層６には電界が印加されている状態となっている。そして、光吸収層４の空乏層６において光吸収により発生した電子と正孔はこの電界に引かれて、それぞれｎ型ＩｎＰ基板７とｐ型のドーピング領域５とへ向かって流れることにより光電流が発生し、この光電流がｐ側電極１及びｎ側電極８より信号電流として取り出される。なお、必要に応じてｐ側電極１とｎ側電極８との間に逆バイアスをかけておくようにしてもよい。

次に、この実施の形態１の作用効果について説明する。この半導体受光素子に入射された入射光９のうちの、光吸収層４で吸収されずに透過した光は、バンドギャップエネルギーが光吸収層４以下である光吸収結合層１２で吸収される。光吸収再結合層１２には、発生した電子と正孔がすぐに再結合してしまうように不純物がドーピングされているために、この光吸収再結合層１２において発生した電子及び正孔は滞留せずに消失する。この結果、従来の技術において説明したような、光吸収層４で吸収されずに透過した光が、ｎ側電極８において反射され、光吸収層４の空乏層６が形成されていない部分に入射されることに起因して発生していた応答歪を無くすことができる。

ここで、ｎ−ＩｎＰバリア層１１の効果について述べる。光吸収再結合層１２で発生した電子と正孔は再結合して消失するまでに約１μｍほど拡散によりドリフトする。このため、この電子または正孔がドリフトにより空乏領域６に到達して光電流として取り出される場合があり、このような拡散の末に光電流として取り出された電流成分は信号の歪成分となってしまう。しかしながら、この実施の形態１に係る半導体受光素子においては、バンドギャップがＩｎＧａＡｓ（Ｅｇ＝０．７５ｅｖ）より大きいＩｎＰ（Ｅｇ＝１．３５ｅｖ）バリア層１１を挿入しているため、このように電子や正孔が拡散して空乏層６へ流れ込むのを防止することができ、光吸収再結合層１２において発生した電子や正孔による応答歪の発生を防ぐことができる。

なお、この光吸収再結合層１２の厚さは、光吸収層４の透過光をほとんど吸収できるように、２μｍ程度以上の厚さとすることが望ましい。

また、光吸収再結合層へドーピングする不純物としては、Ｓｉ，Ｓなどのドナーや、亜鉛（Ｚｎ），カドミウム（Ｃｄ），ベリリウム（Ｂｅ）などのアクセプタ、クロム（Ｃｒ）等の正孔捕獲不純物，即ち第２導電型半導体層内にあって半絶縁性を形成する不純物、鉄（Ｆｅ）等の電子捕獲不純物，即ち第１導電型半導体層内にあって半絶縁性を形成する不純物のいずれかが適当である。ただし、アクセプタや電子捕獲不純物を光吸収再結合層１２のドーパントに用いた場合は、バリア層１１と基板７との間においてｎｐｎ構造となり、素子のｐ側電極からｎ側電極への電流の流れを阻害してしまう。この場合は、チップ上面のＺｎ拡散領域５以外の部分にｎ側電極を設けた構造とする必要があり、例えば、図９に示すように、図１に示す半導体受光素子と同様に、基板７上に窓層３をエピタキシャル成長し、ドーピング領域５を形成した後に、窓層３の所定の領域に、この窓層３の表面からバリア層１１に達する開口部２０を選択エッチング等により形成し、該開口部２０の底面に露出したバリア層１１上にｎ側電極８ｂを形成するような構造とすればよい。なお図９において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、２０は開口部、８ｂはｎ側電極である。

このように本実施の形態１においては、基板７上に、不純物を有する光吸収再結合層１２とバリア層１１とを形成した後、光吸収層４を形成するようにしたから、光吸収層４において吸収できなかった入射光を光吸収再結合層１２で吸収させ、発生した電子及び正孔を滞留させることなく消失させることができ、滞留した電子及び正孔が空乏層６に流れ込むことによって発生していた応答歪を低減させることができる効果を奏する。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、１３は基板７の下面に形成された、外部に向かって隆起しており、基板７の上方から入射される光に対して凹面鏡のように機能する凹面形状部である。なお、ドーピング領域５は、この凹面形状部１３上の領域に形成されている。

この半導体受光素子は、上記実施の形態１と同様に、基板７上に、光吸収層４，窓層３を結晶成長し、ドーピング領域５や電極１を形成した後、基板７の下面をレジストパターンを利用して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の異方性エッチングによりエッチングしていくことにより凹面形状部１３を成形し、その後、ｎ型電極８を基板７の下面に形成することにより形成される。例えば、凹面形状部１３を形成するためのレジストパターンとしては、基板７下面の凹面形状部１３中央部となる部分のみにレジストを配置するようなパターンが用いられる。

この半導体受光素子においては、入射光９のうち吸収層４で吸収されずに透過した光は基板７に達するが、この透過光は、基板７の凹面形状部１３において、凹面形状部１３の中心方向に向かって反射され、この反射光１０は再び光吸収層４の空乏層６が形成されている領域へと戻され、吸収される。その結果、光吸収層４の空乏層６が形成されていない領域で吸収される反射光１０がなくなり、光吸収層４の空乏層６が形成されていない領域で反射光が吸収されることにより発生していた歪成分となる光電流がなくなり、応答歪の少ない半導体受光素子を得ることができるとともに、反射光１０を再度空乏層６で吸収させるため、入射光の吸収効率を向上させることができる効果がある。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、４ａはドーピング領域５の下方に位置する領域内に設けられたｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層である。

この半導体受光素子は、基板７上にｉ−ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させた後、該ｉ−ＩｎＧａＡｓ層の光吸収層４ａを形成するための所定の領域以外の領域をマスク（図示せず）等を用いて選択的に除去して基板の一部領域上のみに光吸収層４ａを形成するとともに、上記マスクを除去後、基板７と光吸収層４ａ上に窓層３を結晶成長させ、光吸収層４ａに達する深さのドーピング領域５を形成し、反射防止膜２，ｐ側電極１，及びｎ側電極８を形成することにより形成される。

この半導体受光素子においては、ドーピング領域５と基板７とに挟まれた領域に形成される空乏層６内にのみ光吸収層４ａが形成されているため、空乏層６以外の領域における光吸収がなくなり、光吸収層４ａで吸収されずにｎ側電極８で反射された光が空乏層６内の光吸収層４ａ以外の領域において吸収されることがなく、したがって、このような反射光に起因した応答歪が生じず、応答歪の少ない半導体受光素子を提供できる効果がある。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、１２ａはドーパント領域５の下方に位置する領域のみが除去された，言いかえれば、ドーパント領域５の下方に位置する領域以外の領域に設けられた光吸収再結合層で、上述した光吸収再結合層１２と同様の材料からなっている。

この半導体受光素子は、上記実施の形態１において説明した半導体受光素子の製造方法において、光吸収再結合層１２をエピタキシャル成長させた後、該光吸収再結合層１２の所定の領域，即ちドーピング領域が形成される領域の下方領域に基板７に達する深さの開口部を設けて光吸収再結合層１２ａを形成した後、さらに光吸収再結合層１２ａ上，及び上記開口部内に露出した基板７上に、バリア層１１，光吸収層４及び窓層３を再度エピタキシャル成長させるようにすることにより形成される。

この半導体受光素子においては、光吸収層４で吸収されなかった入射光９はｎ側電極８により反射されるが、この反射光１０のうち、ドーピング領域５の下方に形成される空乏層６以外の領域に戻ろうとする成分は、光吸収再結合層１２ａに入射されて吸収され、発生するホールと電子は滞留することなく消失するため、応答歪を低減することができるとともに、ドーピング領域５の下方に形成される空乏層６に戻る反射光１０の成分は、そのまま空乏層６に入射されて光吸収されて光電流となるため、光吸収の効率がよくなるという効果がある。

実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、１４は光吸収層４と格子整合しない材料からなるアンドープの格子不整合層で、例えば光吸収層４がＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓからなる場合、格子不整合層１４としてはＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ(x≠0.53) 等が用いられ、その厚さは臨界膜厚以下の厚さ，例えば１０〜１００ｎｍ程度とする。なお、この格子不整合層１４の材料としては、そのバンドギャップエネルギーが光吸収層４のバンドギャップエネルギー以下となるような材料を用いる必要がある。

この半導体受光素子は、上記実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法において、結晶成長の際に光吸収再結合層１２，バリア層１１を形成せずに、光吸収層４上に格子不整合層１４を成長させる工程を挿入することにより形成できる。なお、ドーパント領域５のＺｎ拡散はこの格子不整合層１４を越えて光吸収層４に到達するように行われる。

一般に、格子不整合層１４は、格子整合層に比べて電子と正孔の再結合速度が速い。従来の技術において説明したように、ｎ側電極８により反射された反射光１０の一部が、光吸収層４の空乏層６が形成されている領域以外の領域に入射，吸収されると電子と正孔とが発生する。そして、光吸収層４の再結合速度がそれほど速くないため、これらの電子及び正孔が再結合するまでの間に、滞留したり、拡散して空乏層６へ流れ込んだりすることが応答歪の原因となっていた。しかし、本実施の形態５においては、光吸収層４に隣接して再結合速度が速い格子不整合層１４が設けられているため、このような応答歪の原因となる電子及び正孔は、ドリフトによって空乏層６にたどり着く前に、格子不整合層１４に流れ込んで再結合してしまう。その結果、歪の発生が抑制され、応答歪を低減した半導体受光素子が得られる効果がある。

実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、図２と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、１５はドーピング領域５の下方に位置するよう設けられたＶ字形状のＶ字溝である。

この半導体受光素子は、上記実施の形態２に係る半導体受光素子において基板７の下面に凹面形状部１３を設ける代わりに、基板７の下面にＶ字溝を設けるようにしたもので、上記実施の形態２と同様の製造方法により形成される。なお、Ｖ字溝１５は例えばＶ字溝の伸びる面方位を決定して、マスク等を用いて面方位に対して選択性を有するエッチャントを用いたウエットエッチングを行うことにより容易に形成できる。また、異方性エッチングを用いて形成するようにしてもよい。

この半導体受光素子においては、入射光９が光吸収層４を透過して照射される位置，即ちドーピング領域５の下方にＶ字溝１５が設けられているため、光吸収層４において吸収されなかった入射光９は、ｎ側電極８で反射される際にＶ字溝１５の溝側面において反射され、その反射光１０は半導体受光素子の側面から素子の外へ出射される。従って、反射光１０が光吸収層４に入射されないため、応答歪の原因となる，反射光１０の光吸収層４の空乏層６が形成されていない領域における光吸収がなくなり、応答歪を低減させた半導体受光素子が得られる効果がある。

実施の形態７．
図７は本発明の実施の形態７に係る半導体受光素子の構造を示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、１６は、光吸収層４のドーピング領域５下部の領域を除く領域に設けられた、不純物をイオン注入又は拡散によりドーピングしてなる再結合ドーピング領域で、例えばＳｉがキャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度となるようにドープされている。なお、この再結合ドーピング領域１６の不純物としては、上記実施の形態１の半導体受光素子の光吸収再結合層１２にドープされている不純物と同様の不純物を用いることができる。また、この再結合ドーピング領域１６の厚さは、光吸収層４の厚さの半分以上であればよい。

この半導体受光素子は、上記実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法において、光吸収再結合層１２とバリア層１１とを成長しないようにするとともに、ドーピング領域５形成後に光吸収層４の再結合ドーピング領域１６を形成する領域に不純物のイオン注入を行うか、あるいは、光吸収層４を成長させた時点で、光吸収層４の再結合ドーピング領域１６を形成する領域に不純物を拡散させ、再度窓層３を成長させるようにして再結合ドーピング領域１６を形成することにより得られる。

一般に不純物がドーピングされた領域は、ドーピングされていない領域に対して再結合速度が速い。このため、この半導体受光素子においては、再結合ドーピング領域１６における電子と正孔との再結合速度が速く、仮に光吸収層４の空乏層６が形成されていない領域、即ち再結合ドーピング領域１６において、反射光１０の吸収が発生し電子と正孔とが発生しても、これらは短時間で再結合するため、空乏層６へ流れ込むことがなく、歪の原因とはならないため、応答歪の少ない半導体受光素子を得ることができる効果がある。

なお、上記実施の形態１ないし７においては、入射光の波長を１．３μｍとした場合について説明したが、本発明は、入射光の波長に合わせて各層の材料や組成等を変更することにより、その他の波長の入射光に用いられる半導体受光素子においても適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態１ないし７と同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態１ないし７においては、ＩｎＰ基板を用い、光吸収層としてＩｎＧａＡｓを用いたＩｎＰ系半導体受光素子について説明したが、本発明はＩｎＡｌＧａＡｓ基板を用い、光吸収層としてＩｎＧａＡｓを用いたＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系半導体受光素子や、ＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系半導体受光素子等の他の材料系の半導体受光素子についても適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態１ないし７と同様の効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態２に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態３に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態４に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態５に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態６に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態７に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。従来の半導体受光素子の構造を示す断面図（図８(a)), 及び上面からみた図（図８(b))である。この発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ｐ側電極
１ａボンディングパッド
２表面保護膜
３ｉ−ＩｎＰ窓層
４，４ａｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
５ドーピング領域
６空乏層、
７ｎ−ＩｎＰ基板
８，８ｂｎ側電極
９入射光
１０反射光、
１１バリア層
１２光吸収再結合層
１３凹面形状部
１４格子不整合層、
１５Ｖ字溝
１６光吸収ドーピング領域
２０開口部。

Claims

第１導電型半導体基板と、
該基板上に配置された、該半導体基板よりもバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ半導体層からなる光吸収層と、
該光吸収層上に配置された、バンドギャップエネルギーが上記光吸収層以下であり、該光吸収層と格子整合しない半導体材料からなる臨界膜厚以下の厚さの格子不整合層と、
該格子不整合層上に配置された、上記光吸収層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープ半導体層からなる窓層と、
該窓層上面の所定の領域に設けられた、上記光吸収層に達する深さを備えた第２導電型不純物を有する窓部と、
上記基板の裏面側に設けられた第１の電極と、
上記窓部上の一部領域上に設けられた第２の電極とを備えたことを特徴とする半導体受光素子。